作為半導(dǎo)體行業(yè)的細(xì)分領(lǐng)域，功率半導(dǎo)體的重要性不容忽視，而IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是新一代功率半導(dǎo)體器件的中流砥柱，被業(yè)內(nèi)視為電力電子技術(shù)第三次革命中最具代表性的產(chǎn)品。
近日，賽晶電力電子公司表示，下半年將重點(diǎn)推進(jìn)IGBT的研發(fā)和生產(chǎn)線建設(shè)。揚(yáng)杰科技在IGBT領(lǐng)域也取得了重要進(jìn)展，基于8英寸工藝的溝槽場(chǎng)終止1200V IGBT芯片系列及對(duì)應(yīng)的模塊產(chǎn)品已開始風(fēng)險(xiǎn)量產(chǎn)。多方紛紛加碼IGBT產(chǎn)業(yè)，IGBT產(chǎn)業(yè)再引關(guān)注。
功率半導(dǎo)體的重要方向
在電子裝置中，功率半導(dǎo)體是電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，主要用來(lái)改變電子裝置中的電壓、頻率和直流交流轉(zhuǎn)換，以提高能量的轉(zhuǎn)化效率。
功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的種類和批次較多，IGBT是其中最具代表性的產(chǎn)品。從功率半導(dǎo)體的演進(jìn)歷程來(lái)看，IGBT是當(dāng)之無(wú)愧的新一代功率半導(dǎo)體。20世紀(jì)50年代，功率半導(dǎo)體二極管問(wèn)世；20世紀(jì)60～70年代，晶閘管迎來(lái)了快速發(fā)展；20世紀(jì)80～90年代，功率器件MOSFET得到了進(jìn)一步發(fā)展；21世紀(jì)以來(lái)，隨著市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)，IGBT工藝也在不斷改進(jìn)。
IGBT的主要功能是控制電池電機(jī)的交流、直流電轉(zhuǎn)化，將直流電壓逆變成頻率可調(diào)的交流電。此外，IGBT還可以穩(wěn)定動(dòng)力電池組的電壓，并控制電池組的輸出功率。
簡(jiǎn)單來(lái)講，IGBT可被視為“非通即斷”的開關(guān)，導(dǎo)通時(shí)可被看做導(dǎo)線，斷開時(shí)可以充當(dāng)開路。比亞迪功率器件產(chǎn)品總監(jiān)楊欽耀此前接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)具體解釋了IGBT是如何作為“開關(guān)”發(fā)揮作用的。
“功率半導(dǎo)體器件是電流的開關(guān)，在關(guān)斷的時(shí)候，能夠保證漏電流和殘余電流很小，且耐受電壓很高。在開通的時(shí)候，功率半導(dǎo)體器件能夠保證電阻小、電流大，并且開關(guān)的時(shí)間很短。” 楊欽耀說(shuō)。
IGBT兼有MOSFET（金氧半場(chǎng)效晶體管）的高輸入阻抗和 GTR（電力晶體管）的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET 驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。作為MOSFET和GTR兩種器件優(yōu)點(diǎn)的“集大成者”，IGBT的驅(qū)動(dòng)功率小且飽和壓降低，開關(guān)速度快且開關(guān)損耗小，在高壓、大電流和高速等方面具備其他功率器件不可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，IGBT非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)，比如交流電機(jī)、開關(guān)電源、照明電路和牽引傳動(dòng)等。
多個(gè)領(lǐng)域大有作為
基于自身的種種優(yōu)勢(shì)和特性，現(xiàn)階段，IGBT被大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)控制、變頻家電、軌道交通、智能電網(wǎng)和新能源汽車等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。
其中，工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)GBT的市場(chǎng)需求最大，呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。由于IGBT模塊是變頻器、逆變焊機(jī)等傳統(tǒng)工業(yè)控制及電源行業(yè)的核心元器件，隨著工業(yè)控制及電源行業(yè)市場(chǎng)的逐步回暖，IGBT模塊將發(fā)揮更為關(guān)鍵的作用。
IGBT以其高頻、低損耗的特性逐漸成為了變頻家電領(lǐng)域的關(guān)鍵器件，變頻家電中主要使用的就是集驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路功能于一身的IGBT模塊。IGBT模塊在變頻器中不僅起到了傳統(tǒng)三極管的作用，還能起到整流的作用。隨著人們節(jié)能意識(shí)的逐步提高，變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)、變頻冰箱和無(wú)火烹飪電磁爐等變頻家電在市場(chǎng)上日漸火爆，IGBT在該領(lǐng)域的重要作用日益凸顯。
IGBT在軌道交通領(lǐng)域也扮演著極其關(guān)鍵的角色，軌道交通對(duì)IGBT有著巨大的需求。以高速列車為例，大功率IGBT模塊是電力機(jī)車和高速動(dòng)車組的核心組件。根據(jù)相關(guān)資料，電力機(jī)車一般需要500個(gè)IGBT模塊，動(dòng)車組需要超過(guò)100個(gè)IGBT模塊，一節(jié)地鐵則需要50～80個(gè)IGBT模塊。
智能電網(wǎng)也離不開IGBT的加持。據(jù)悉，智能電網(wǎng)對(duì)IGBT的市場(chǎng)需求量每年可達(dá)4億元，在如此龐大的市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，IGBT迎來(lái)了又一發(fā)展風(fēng)口。
新能源汽車領(lǐng)域更是IGBT的用武之地。有關(guān)信息顯示，在新能源汽車中，IGBT模塊約占整車成本的7%～10%，是除電池之外所占成本第二高的元件，決定了整車的能源效率。
華潤(rùn)微電子功率器件事業(yè)群、華潤(rùn)華晶研發(fā)中心副總經(jīng)理鄧小社表示，IGBT在新能源汽車中的應(yīng)用較為普遍。
“在電動(dòng)汽車的‘三電’方面，特斯拉的Model S使用的是三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其中，每一相的驅(qū)動(dòng)控制需要28顆塑封的IGBT芯片，三相共需要84顆IGBT芯片。由此可見，新能源汽車對(duì)IGBT芯片的需求非常龐大。此外，充電樁的核心部件也離不開IGBT芯片。”鄧小社說(shuō)。
降低成本是突破關(guān)鍵
隨著新能源汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，IGBT在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用受到了業(yè)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。不同于工業(yè)級(jí)IGBT，新能源汽車領(lǐng)域?qū)GBT提出了更加嚴(yán)苛的要求，因此車規(guī)級(jí)IGBT在迎來(lái)市場(chǎng)爆發(fā)式增長(zhǎng)的同時(shí)，也不可避免地面臨著挑戰(zhàn)。
IGBT現(xiàn)階段面臨的最大挑戰(zhàn)來(lái)自成本。英飛凌新能源汽車電力電子應(yīng)用工程師何耀華指出，汽車應(yīng)用對(duì)元器件的成本提出了更高的要求。
“大型水電站的發(fā)電機(jī)和輸配電的電力變換器最重要的特性是高可靠性和高性能，因?yàn)閱闻_(tái)價(jià)值高、數(shù)量少，所以元器件的成本稍高些也可以被接受。但汽車應(yīng)用作為大規(guī)模量產(chǎn)的高端工業(yè)消費(fèi)品，終端客戶是個(gè)人，這就需要更好地控制終端售價(jià)，也對(duì)元器件的成本提出了更高的要求。”何耀華說(shuō)。
針對(duì)如何應(yīng)對(duì)來(lái)自成本方面的挑戰(zhàn)，何耀華提出了四大應(yīng)對(duì)策略。首先，要通過(guò)提升產(chǎn)品性能和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。其次，要通過(guò)提升晶圓的切割效率和生產(chǎn)品的良率來(lái)實(shí)現(xiàn)成本的減少。
“晶片切割利用效率的提高可以有效降低IGBT晶片的成本。此外，提高生產(chǎn)品的良率也是降低成本、提升核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。”何耀華表示。
再次，要針對(duì)汽車領(lǐng)域“獨(dú)家定制”相應(yīng)的晶圓產(chǎn)品。何耀華指出，針對(duì)汽車“獨(dú)家定制”晶圓可以在不同程度上提升產(chǎn)品的性能。
最后，足夠的產(chǎn)能和良好的產(chǎn)品質(zhì)量也十分關(guān)鍵。何耀華指出，全自動(dòng)化產(chǎn)線等自動(dòng)化設(shè)備能夠提升供貨能力和產(chǎn)品質(zhì)量。
“全自動(dòng)化產(chǎn)線能夠?qū)ｉT生產(chǎn)汽車級(jí)的功率電子IGBT模塊，因此能夠保證足夠的產(chǎn)能。與此同時(shí)，全自動(dòng)化產(chǎn)線能夠避免因人為錯(cuò)誤而造成的相關(guān)問(wèn)題。生產(chǎn)質(zhì)量控制體系以及產(chǎn)品出廠前的測(cè)試，也能夠?qū)a(chǎn)品的失效率降到最低。”他說(shuō)。
何耀華表示，未來(lái)，以IGBT為代表的汽車功率電子器件將會(huì)更加注重精細(xì)化設(shè)計(jì)、平臺(tái)化設(shè)計(jì)、智能化設(shè)計(jì)和功能安全設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)包括新能源汽車行業(yè)在內(nèi)的多個(gè)電子電力領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展。